1.2. Масштабы физических величин в молекулярном мире

Пока не будем касаться масштабов величин в мире элементарных частиц и прочей экзотики. Рассмотрим обычные атомы и молекулы. Самый малый и самый распространенный во Вселенной атом, атом водорода, имеет размер . Эту величину надо обязательно запомнить! С ней мы будем сравнивать все другие пространственные размеры и расстояния. Ясно, что другие атомы имеют несколько большие размеры, а именно дом (атом урана). Размеры молекул изменяются в более широких пределах÷. Кстати, 1 нанометр =м, а с приставки НАНО начинается название новой, бурно развивающейся науки нанотехнологии.

Использование методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами, позволяет создавать устройства, имеющие размеры 1÷ 100 нм. В настоящее время это направление является наиболее перспективным для получения новых материалов, полупроводниковых приборов, устройств для записи информации, фармацевтических препаратов и многого другого.

Вернемся к масштабам. Массы атомов по порядку величины заключены в пределах от кг (атом водорода) докг (атом урана). Массы молекул имеют значения от 10^-27кг (молекула водорода) докг (крупные белковые молекулы).

Количество частиц в макросистемах столь велико, что его удобно измерять в особых единицах – молях. Моль это количество вещества, содержащее число структурных элементов, равное постоянной Авогадро:

В молях можно измерять количества любых структурных элементов. Например, если в некотором сосуде содержится 1 моль молекул кислорода , то там имеется 2 моль атомов кислорода, или 16 моль протонов, 16 моль нейтронов и 16 моль электронов.

Молю соответствует масса, её называют молярной массой µ, для различных веществ она разная, поскольку массы их молекул отличаются друг от друга

Молярная масса выражается в кг/моль. Её можно рассчитать для каждого вещества на основе его химической формулы, используя массовые числа из таблицы Менделеева. Зная и массу веществалегко найти количество молей его молекул.

Представление о масштабах времени в молекулярных системах можно получить хотя бы из того факта, что при нормальных условиях в воздухе каждая молекула газа за 1 с испытывает около столкновений с другими частицами. Такая яркая, насыщенная событиями жизнь. Ведь при каждом столкновении, происходящем в среднем черезс, меняется скорость и энергия молекулы, изменяется ее состояние. Наблюдая макросистемы, мы, как правило, измеряем длительность происходящих в них макропроцессов в интервале 10^-6÷10⁵с.

1.3. Теоретические и экспериментальные методы молекулярной физики

Дискретная структура вещества не вызывает сомнений, но для теоретического описания макросистем во многих случаях оказывается полезным представление о веществе как о сплошной среде. Такое представление материи называется макроскопическим в отличие от молекулярного, микроскопического. Его правомерность основана на том, что размеры молекул и расстояния между ними много меньше размеров макроскопических тел. Вещество как непрерывный континуум характеризуется плотностью . Для однородных тел

где и– масса и объем тела соответственно.

Анализ возможностей изучения систем многих частиц показал, что динамическое описание таких систем «неосуществимо с технической, не пригодно с теоретической и бесполезно с практической точек зрения» [11]. Поэтому поиск теоретических подходов шел в направлении использования информации, имеющей обобщенный характер, т.е. относящейся ко всей системе в целом. В результате были разработаны два радикально отличающихся друг от друга метода исследования макросистем: статистический и термодинамический. Эти методы имеют и другие названия, которые приведены ниже на схеме 1.3.1. Следует иметь в виду, что зачастую молекулярной физикой называют только статистическую физику, точнее её основы, например, в названии учебника «Термодинамика и молекулярная физика» [14].

Далее в 1.5 мы дадим развернутые характеристики статистического и термодинамического подходов в описании макросистем и сформулируем их задачи.

Говоря об экспериментальных методах молекулярной физики отметим, что они чрезвычайно разнообразны. Действительно, изучение структурных, электрических, магнитных, тепловых и механических свойств макросистем требует совершенно разных измерительных инструментов и методов. Их разнообразие обязано также специфике свойств разных агрегатных состояний вещества. Газ, жидкость, твердое тело, плазма – это по сути объекты относительно самостоятельных научных направлений, каждое из которых имеет развитую экспериментальную базу (физика твердого тела, физика плазмы и т.д.).

Схема 1.3.1.

Дисциплина «Молекулярная физика» основывается на обобщении многочисленных результатов экспериментальных исследований в этих разных областях. Поэтому вам следует приготовиться к накоплению знаний о реальных макросистемах, необходимых для практической деятельности и для дальнейшего изучения дисциплин естественнонаучного цикла. Главная цель, которая ставится перед вами, заключается в освоении методов изучения макросистем. Заявив о наших целях, необходимо уточнить предметную область дисциплины, определенную в 1.1.